Level-set based topology optimization for electromagnetic dipole antenna design

Zhou S.; Li W.; Li Q.

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Level-set based topology optimization for electromagnetic dipole antenna design

机译：基于水平集的拓扑优化，用于电磁偶极子天线设计

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This paper presents a level-set framework for a typical electromagnetic design problem of dipole antenna. In this study, the geometrical configuration of an antenna is represented by the zero-level contour of a higher-dimensional level-set function. The governing equation for the induced current flow on a metal surface is the Electric Field Integral Equation (EFIE), which takes into account the electric component of the incident wave. The design objective is formulated in terms of the surface current and incident electric field. The normal velocity of the level-set model, which reflects the sensitivity of the objective function, is derived from the adjoint variable method and shape derivative. By optimizing the objective function, the area with the highest current density, to which the voltage feeding should be applied, can be reshaped. The advantages of adopting the level-set technique for electromagnetic design lie in its capacity for capturing sophisticated topological changes and facilitation in mathematical representation of the design configuration. The demonstrative examples of dipole antenna design show that the level-set method results in a fairly smooth optimization process, where the vacuum/metal interface gradually attains its optimal configuration. A series of design cases with self-adjoint and non-self-adjoint sensitivity analyses are studied and compared to the benchmarking problems in dipole antenna.

机译：本文提出了一个典型的偶极天线电磁设计问题的水平集框架。在这项研究中，天线的几何结构由高维水平集函数的零水平轮廓表示。金属表面上感应电流的控制方程是电场积分方程（EFIE），该方程考虑了入射波的电分量。根据表面电流和入射电场来制定设计目标。水平集模型的法向速度反映了目标函数的敏感性，它是从伴随变量方法和形状导数中得出的。通过优化目标函数，可以对应施加电压馈送的具有最高电流密度的区域进行整形。采用水平集技术进行电磁设计的优势在于其能够捕获复杂的拓扑变化并简化设计配置的数学表示。偶极天线设计的演示示例表明，水平设置方法可导致相当平稳的优化过程，其中真空/金属界面逐渐达到其最佳配置。研究了一系列具有自伴和非自伴灵敏度分析的设计案例，并将其与偶极天线的基准测试问题进行了比较。

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来源
《Journal of Computational Physics》 |2010年第19期|共16页
作者
Zhou S.; Li W.; Li Q.;
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作者单位

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收录信息
原文格式 PDF
正文语种 eng
中图分类数学物理方法;
关键词
Dipole antenna; Electric Field Integral Equation; Electromagnetic system; Level-set method; Shape derivative; Topology optimization;

机译：偶极天线;电场积分方程;电磁系统;能级法;形状导数;拓扑优化;

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